阅读说明：本技术 调制功率装置 (Power modulation device ) 是由 纳迪姆·赫拉特 迈克尔·R·卡伊 于 2020-02-17 设计创作，主要内容包括：公开了一种调制功率装置,其包括跟踪放大器,该跟踪放大器具有联接至输出电压节点的放大器输出端子和被配置为接收射频信号的包络信号的包络输入端子。多电平电压转换器具有联接至输出电压节点的开关电压端子和被配置为接收转换器控制信号的转换器控制输入端子。控制信号多路复用器具有：联接至转换器控制输入端子的转换器控制输出端子,被配置为接收与较低包络调制带宽相对应的第一转换器控制信号的第一转换器信号输入端子,被配置为接收与较高包络调制带宽相对应的第二转换器控制信号的第二转换器信号输入端子,以及被配置为接收用于在第一转换器控制信号与第二转换器控制信号之间进行选择的控制选择器信号的转换器控制信号选择器端子。(A modulated power device is disclosed that includes a tracking amplifier having an amplifier output terminal coupled to an output voltage node and an envelope input terminal configured to receive an envelope signal of a radio frequency signal. The multi-level voltage converter has a switched voltage terminal coupled to the output voltage node and a converter control input terminal configured to receive a converter control signal. The control signal multiplexer has: a converter control output terminal coupled to the converter control input terminal, a first converter signal input terminal configured to receive a first converter control signal corresponding to a lower envelope modulation bandwidth, a second converter signal input terminal configured to receive a second converter control signal corresponding to a higher envelope modulation bandwidth, and a converter control signal selector terminal configured to receive a control selector signal for selecting between the first converter control signal and the second converter control signal.)

调制功率装置

相关申请

本申请要求于2019年2月18日提交的临时专利申请序列号62/807,095的权益，其公开内容以其全文通过引用并入于此。

技术领域

本公开的技术总体上涉及无线通信设备中的功率管理。

背景技术

在当今社会中，移动通信设备已经变得越来越普遍。这些移动通信设备的普及在一定程度上由现在在此类设备上实现的许多功能驱动。此类设备中处理能力的提高意味着移动通信设备已经从纯粹的通信工具发展成为能够增强用户体验的复杂移动多媒体中心。

重新定义的用户体验需要无线通信技术提供更高数据速率，例如长期演进(LTE)。为了在移动通信设备中实现更高的数据速率，可以采用复杂的功率放大器来增加由移动通信设备传送的射频(RF)信号的输出功率(例如，保持每比特足够的能量)。然而，RF信号输出功率的增加可能导致移动通信设备的功耗和散热增加，从而损害整体性能和用户体验。

包络跟踪和平均功率跟踪是功率管理技术，其被设计用来提高功率放大器的效率水平，从而帮助减少移动通信设备中的功耗和散热。包络跟踪采用了一种持续跟踪由移动通信设备传送的RF信号的幅度包络的系统。包络跟踪系统会不断地调节施加到功率放大器的电源电压，以确保针对RF信号的给定瞬时输出功率要求，RF功率放大器能够以更高的效率运行。就这一点而言，包络跟踪系统的效率可能影响移动通信设备的整体功耗和性能。相比之下，平均功率跟踪根据发射机的输出功率来调整RF功率放大器的电源电压。

尽管平均功率跟踪具有相对较低的调制带宽要求，但现代LTE无线设备的包络跟踪要求需要相对较宽的电源调制带宽。因此，需要一种提供变化的电源调制带宽要求的调制功率管理装置。

发明内容

公开了一种装置，其包括跟踪放大器，该跟踪放大器具有：均联接至输出电压节点的放大器输出端子和反馈输入端子，以及被配置为接收射频信号的包络信号的包络输入端子。该装置进一步包括多电平电压转换器，该多电平电压转换器具有联接至输出电压节点的开关电压端子和被配置为接收转换器控制信号的转换器控制输入端子。多电平电压转换器被配置为接收电池电压并响应于转换器信号在开关电压端子处生成开关电压。还包括控制信号多路复用器，该控制信号多路复用器具有：联接至转换器控制输入端子的转换器控制输出端子，被配置为接收与低于调制带宽阈值的较低包络调制带宽相对应的第一转换器控制信号的第一转换器信号输入端子，被配置为接收与高于调制带宽阈值的较高包络调制带宽相对应的第二转换器控制信号的第二转换器信号输入端子，以及被配置为接收用于在第一转换器控制信号和第二转换器控制信号之间进行选择的控制信号选择器信号的转换器控制信号选择器端子。

本领域技术人员可以在结合附图阅读对优选实施例的以下详细说明之后，理解本公开的范围并认识到本公开的其他方面。

附图说明

结合在本说明书中并成为本说明书的一部分的附图示出了本公开的几个方面，并且与描述一起用于解释本公开的原理。

图1是采用包络跟踪集成电路形式的功率调制装置的第一实施例的示意图，该包络跟踪集成电路被配置为向诸如射频功率放大器的负载提供调制功率。

图2是采用图1的包络跟踪集成电路的修改版本和分布式包络跟踪集成电路的形式的功率调制装置的第二实施例的示意图，该分布式包络跟踪集成电路被进一步配置为向诸如射频功率放大器的负载提供调制功率。

图3是第一控制器的简化示意图，其在示例性实施例中是起停式控制器。

图4是第二转换器控制器的简化示意图，其在示例性实施例中是脉冲宽度调制器型控制器。

图5是多电平电压转换器的简化示意图，其在示例性实施例中是多电平电荷泵类型的。

具体实施方式

下面阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例的必要信息，并且示出了实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到本文中未特别提出的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。

应当理解，尽管术语第一、第二等在本文中可用于描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件和另一元件进行区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

应当理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”或延伸到另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者还可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”或“直接”延伸到另一元件“上”时，则不存在中间元件。同样，将理解的是，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称为在另一元件“上方”或在另一元件“上方”延伸时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件“上方”延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接”在另一元件“上方”或“直接”延伸到另一元件“上方”时，则不存在中间元件。还应当理解，当元件被称为“连接”或“联接”至另一元件时，其可以直接连接或联接至另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件时，则不存在中间元件。

在本文中可以使用诸如“在……下方”或“在……上方”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”之类的相对性术语来描述附图中所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，这些术语以及以上讨论的那些术语旨在涵盖除附图中描绘的方位之外的设备的不同方位。

在本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而并不旨在限制本公开。如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。应当进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”，“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。

除非另有定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有和本公开所属技术领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。应当进一步理解的是，除非在本文中明确地定义，否则在本文中使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的背景中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来解释。

图1是采用包络跟踪集成电路(ETIC)10形式的功率调制装置的第一实施例的示意图，该包络跟踪集成电路被配置为向诸如射频功率放大器12的负载提供调制功率。用来操作射频功率放大器12的功率通过联接至ETIC 10的电源电压输出端子16的电源端子14来提供。

在操作期间，诸如在图1中描绘为调制正弦曲线的射频信号被施加到射频功率放大器12的RF输入端子18。射频功率放大器12放大从RF输出端子20输出的射频信号。

为了使射频功率放大器有效地工作，电源电压V_CC由ETIC 10调制，在示例性实施例中，其在操作期间具有三种电源电压调制模式。第一模式是第一包络跟踪模式(ET1)，其与低于预定调制带宽阈值的较低调制带宽相关联。第二模式是第二包络跟踪模式(ET2)，其与高于预定调制带宽阈值的较高调制带宽相关联。第三模式是平均功率跟踪模式(APT)，其调制作为平均RF信号功率的函数的电源电压V_CC。相比于在第一包络跟踪模式ET1或第二包络跟踪模式ET2任一个的操作期间的相对较高的峰均功率比，当放大的RF信号具有相对较低的峰均功率比时，通常使用APT模式。

如图1所示，由射频信号得到的包络信号被示为虚线正弦曲线，其跟随射频信号的调制。当以第一包络跟踪模式ET1或第二包络跟踪模式ET2操作时，ETIC 10被配置为通过跟踪包络信号来调制电源电压V_CC。

就这一点而言，ETIC 10包括跟踪放大器22，该跟踪放大器具有跟踪输出端子24和反馈输入端子28，两者均联接至输出电压节点30，该输出电压节点继而联接至电源电压输出端子16。反馈输入端子28被配置为接收跟随电源电压V_CC的调制的跟踪反馈信号。在一些情况下，跟踪反馈可以在到达反馈输入端子28之前进行滤波。

补偿电容器C_补偿1联接在跟踪输出端子24与输出电压节点30之间，以提供与输出电压节点30处的输出电压相加的补偿电压。接地开关SW1联接在跟踪输出端子24与接地GND之间，以在ETIC 10以APT模式操作时通过选择性地将联接至跟踪输出端子24的补偿电容器C_补偿1的极板接地来将补偿电容器C_补偿1重新用作滤波电容器。

跟踪放大器22进一步包括被配置为接收射频信号的包络信号的包络输入端子26。应当理解，包络信号可以在被输入到包络输入端子26之前，通过诸如抗混叠滤波器之类的各种滤波器进行处理。在一些现有技术的公开中，包络信号被称为V_RAMP信号。应当理解，包络信号V_RAMP可以由自适应频率均衡器(未示出)处理以补偿阻抗引起的跟踪误差，并在到达包络输入端子26之前经历抗混叠滤波。

ETIC 10还包括多级电压转换器32，其具有联接至输出电压节点30的开关电压端子34和被配置为接收转换器控制信号CSX的转换器控制输入端子36。在此示例性实施例中，多电平电压转换器32被配置为接收电池电压V_BAT，并响应于转换器控制信号CSX而在开关电压端子34处生成开关电压。电感器L1联接在开关电压端子34与输出电压节点30之间，其中电感器L1被配置为从开关电压中过滤高频分量。

ETIC 10进一步包括控制信号多路复用器38，其具有联接至转换器控制输入端子36的转换器控制输出端子40。控制信号多路复用器38的第一转换器信号输入端子42被配置成接收与低于调制带宽阈值的较低包络调制带宽相对应的第一转换器控制信号CS1。第二转换器信号输入端子44被配置为接收与高于调制带宽阈值的较高包络调制带宽相对应的第二转换器控制信号CS2。转换器控制信号选择器端子46被配置为接收用于在第一转换器控制信号CS1和第二转换器控制信号CS2之间进行选择的控制信号选择器信号SS1。

第一转换器控制器48生成第一转换器控制信号CS1。第一转换器控制器48具有联接至第一转换器信号输入端子42的第一转换器信号输出端子50。第一转换器控制器48具有第一模式反馈端子52，其被配置为当ETIC 10以第一包络跟踪模式ET1操作时接收ET1反馈信号。

在图1的示例性实施例中，第一转换器控制器48是起停式控制器。因此，第一转换器控制信号CS1在第一模式反馈端子52处接收到的设定点的死区的相对侧之间相对突然地振荡。在包络跟踪的一些情况下，在低于预定调制带宽阈值的较低包络调制带宽下可以优选起停式控制，该预定调制带宽阈值可以是例如10MHz。然而，在高于例如20MHz的较高包络调制带宽下，需要使用其他类型的控制器来维持包络跟踪所提供的效率。

就这一点而言，针对本公开进行的仿真和实验已经表明，针对APT配置的脉冲宽度调制(PWM)类型的控制器可以重新用于第二包络跟踪模式ET2。因此，在图1的示例性实施例中，第二转换器控制器54被配置为生成第二转换器控制信号CS2的PWM型控制器。第二转换器控制器54具有联接至第二转换器信号输入端子44的第二转换器信号输出端子56。第二转换器控制器54具有第二模式反馈端子58，该第二模式反馈端子被配置为当ETIC 10以第二包络跟踪模式ET2和APT模式之一操作时接收反馈。

返回到第一转换器控制器48的操作，ET1反馈信号是在位于第一滤波器输出节点62与第一模式反馈端子52之间的第一求和节点60处相加在一起的滤波信号FS1和电压感测信号V_感测1的总和。电压感测信号V_感测1与电流感测信号I_感测1成比例，电流感测信号与流经跟踪输出端子24的电流成比例。联接在跟踪输出端子24与第一求和节点60之间的电流-电压转换器64被配置为将电流感测信号I_感测1转换为电压感测信号V_感测1。

滤波后的信号FS1由联接在第一滤波器输出节点62与第二求和节点68的输出之间的III型回路滤波器66输出。当ETIC 10在包络跟踪模式ET1或ET2下运行时，第二求和节点68输出目标电压V_目标1与补偿电压V_补偿1之间的第一差分信号DS1，或者当ETIC 10在APT模式下操作时输出电源电压V_CC。目标电压V_目标1由数模转换器70生成，该数模转换器具有联接至第二求和节点68的第一输入的模拟输出端子72和被配置为从诸如基带数字处理器(未示出)之类的外部处理器接收数字值的数字输入74。目标电压V_目标1是在数字输入74处接收到的数字值的模拟电压表示。III型回路滤波器被定义为具有三个极点和两个零点，其中三个极点之一位于极点零点图的原点。

反馈信号多路复用器76具有联接至第二求和节点68的第二输入的反馈输出端子78。反馈信号多路复用器76的第一反馈信号输入端子80被配置为接收补偿电压V_补偿1，该补偿电压是当ETIC 10以包络跟踪模式ET1或ET2中的任何一个操作时补偿电容器C_补偿1上的电压。第二反馈信号输入端子82被配置为接收电源电压V_CC，以在ETIC 10以APT模式操作时用作反馈。反馈信号选择器端子84被配置成接收反馈信号选择器信号SS2，其用于当ETIC 10以APT模式操作时在用作包络跟踪模式ET1和ET2的反馈的补偿电压V_补偿1与用作反馈的电源电压V_CC之间进行选择。

图2是采用图1的ETIC 10的修改版本和分布式包络跟踪集成电路(DETIC)86的形式的功率调制装置的第二实施例的示意图，该分布式包络跟踪集成电路被进一步配置为向诸如射频功率放大器12(图1)的负载提供调制功率。在该第二示例性实施例中，ETIC 10被修改为包括第一控制器多路复用器88，其被配置为在由ETIC 10内部生成的第一内部控制信号和由DETIC 86在ECIC 10外部生成的第一外部控制信号之间进行选择。ETIC 10被进一步修改为包括第二控制器多路复用器90，其被配置为在由ETIC 10内部生成的第二内部控制信号和由DETIC 86在ETIC 10外部生成的第二外部控制信号之间进行选择。

第一控制器多路复用器88具有联接至第一求和节点60的输出的第一内部信号端子92和联接至外部控制信号输入端子96的第一外部信号端子94。第一控制器信号选择器端子98被配置为接收用于在第一内部控制信号和第一外部控制信号之间进行选择的第一控制器信号选择器信号SS3。

此外，第二控制器多路复用器90具有联接至第一滤波器输出节点62的第二内部信号端子100和联接至外部控制信号输入端子96的第二外部信号端子102。第二控制器信号选择器端子104被配置为接收用于在第二内部控制信号和第二外部控制信号之间进行选择的第二控制器信号选择器信号SS4。

DETIC 86包括第二跟踪放大器106，其具有第二跟踪输出端子108和第二反馈输入端子110，该第二跟踪输出端子和第二反馈输入端子通过DETIC 86的第一节点联接端子112和ETIC 10的第二节点联接端子114均联接至输出电压节点30。第二跟踪输出端子108和第二反馈输入端子110也联接至第二电源电压输出端子116。第二反馈输入端子110被配置为接收跟随电源电压V_CC的调制的第二跟踪反馈信号。在一些情况下，第二跟踪反馈可以在到达第二反馈输入端子110之前进行滤波。

第二补偿电容器C_补偿2联接在第二跟踪输出端子108与第二电源电压输出端子116之间，以提供与输出电压节点30处的输出电压相加的第二补偿电压V_补偿2。第二接地开关SW2联接在第二跟踪输出端子108与接地GND之间，以在ETIC 10以APT模式操作时，通过选择性地使第二补偿电容器C_补偿2的极板接地而将第二补偿电容器C_补偿2重新用作与ETIC 10中的补偿电容器C_补偿1并联的第二滤波器电容器。

第二跟踪放大器106进一步包括被配置为接收射频信号(图1)的包络信号的第二包络输入端子118。应当理解，包络信号可以在被输入到第二包络输入端子118之前，通过诸如抗混叠滤波器之类的各种滤波器进行处理。应当理解，包络信号V_RAMP可以由自适应频率均衡器(未示出)处理以补偿阻抗引起的跟踪误差，并在到达第二包络输入端子118之前经历抗混叠滤波。

DETIC 86进一步包括外部控制信号多路复用器120，该外部控制信号多路复用器具有联接至外部控制输出端子124的外部控制输出端子122，该外部控制输出端子继而联接至ETIC 10的外部控制信号输入端子96。外部控制信号多路复用器120的第一外部控制信号端子126被配置为接收与低于调制带宽阈值的较低包络调制带宽相对应的第一外部控制信号EC1。第二外部控制信号端子128被配置为接收与高于调制带宽阈值的较高包络调制带宽相对应的第二外部控制信号EC2。外部控制信号选择器端子130被配置为接收用于在第一外部控制信号EC1和第二外部控制信号EC2之间进行选择的控制信号选择器信号SS5。

DETIC 86还包括第一子控制器132，该第一子控制器被配置为生成可选择性地路由到ETIC 10的第一转换器控制器48的第一外部控制信号EC1。在图2的示例性实施例中，ETIC 10的第一转换器控制器48仍然是起停式控制器。因此，图2的示例性实施例中的第一子控制器132被称为起停式子控制器。第一子控制器132与第一转换器控制器48的不同之处在于，第一子控制器132未被配置为直接控制多电平电压转换器32。替代地，第一外部控制信号EC1可选择性地路由至第一模式反馈端子52，以变为用来驱动第一转换器控制器48的第一模式ET1反馈信号。

第一外部控制信号EC1是在位于第二滤波器输出节点136与第一外部控制信号端子126之间的第三求和节点134处相加在一起的第二滤波信号FS2和第二电压感测信号V_感测2的总和。第二电压感测信号V_感测2与第二电流感测信号I_感测2成比例，第二电流感测信号与流经第二跟踪输出端子108的电流成比例。联接在第二跟踪输出端子108与第三求和节点134之间的电流-电压转换器138被配置为将第二电流感测信号I_感测2转换为第二电压感测信号V_感测2。

第二滤波信号FS2由联接在第二滤波器输出节点136与第四求和节点142的输出之间的第二III型回路滤波器140输出。当DETIC 86以第一包络跟踪模式ET1操作时，第四求和节点142输出第二目标电压V_目标2与第二补偿电压V_补偿2之间的第二差分信号DS2。第二目标电压V_目标2由第二数模转换器144生成，该数模转换器具有联接至第四求和节点142的第一输入的模拟输出端子146和被配置为从诸如基带数字处理器(未示出)之类的外部处理器接收数字值的第二数字输入148。第二目标电压V_目标2是在第二数字输入148处接收到的数字值的模拟电压表示。第二数模转换器144以虚线示出，以突出显示可以通过重新使用数模转换器70以生成第二目标电压V_目标2来代替第二数模转换器144。

DETIC 86进一步包括第二子控制器150，该第二子控制器被配置为生成可选择性地路由到ETIC 10的第二转换器控制器54的第二外部控制信号EC2。在图2的示例性实施例中，ETIC 10的第二转换器控制器54仍然是脉冲宽度调制器类型的控制器。因此，图2的示例性实施例中的子控制器150被称为脉冲宽度调制子控制器。第二子控制器150与第二转换器控制器54的不同之处在于，第二子控制器150未被配置为直接控制多电平电压转换器32。替代地，第二外部控制信号EC2可选择性地路由至第二模式反馈端子58，以变为用来驱动第二转换器控制器54的第二模式ET2反馈信号。

第三滤波信号FS3由联接在第三滤波器输出节点154与第五求和节点156的输出之间的第三III型回路滤波器152输出。当DETIC 86以第一包络跟踪模式ET1操作时，第四求和节点142输出第二目标电压V_目标2与第二补偿电压V_补偿2之间的第二差分信号DS2。

图3是第一转换器控制器48的简化示意图，其在示例性实施例中是起停式控制器。就这一点而言，第一转换器控制器48包括第一阈值比较器158、第二阈值比较器160和第三阈值比较器162，它们被配置为将第一模式ET1信号分别与第一参考电压V_REF1、第二参考电压V_REF2以及第三参考电压V_REF3进行比较。

状态机逻辑164接收分别由第一阈值比较器158、第二阈值比较器160和第三阈值比较器162生成的电压信号电平V_CMP1、V_CMP2和V_CMP3。状态机逻辑164被配置为基于相应的V_CMP1、V_CMP2和V_CMP3电压信号电平以及当前状态来生成第一转换器控制信号CS1，该当前状态可以是多电平电压转换器32的降压状态、升压状态、电池状态和接地状态中的一个。状态机逻辑164可以例如通过常规逻辑单元和/或现场可编程门阵列来实现。

图4是第二转换器控制器54的简化示意图，其在示例性实施例中是脉冲宽度调制器型控制器。第二转换器控制器54包括锯齿振荡器166，该锯齿振荡器生成以实线示出的正斜率锯齿波和以虚线示出的负斜率锯齿波。

第四阈值比较器168被配置为当ETIC 10以第二包络跟踪模式ET2操作时将正斜率锯齿波与第二模式ET2反馈信号进行比较，该第二包络跟踪模式与高于预定调制带宽阈值的较高调制带宽相关联。第四阈值比较器168被配置为输出与多电平电压转换器32的降压操作相关联的降压控制信号。

第五阈值比较器170被配置为当ETIC 10以第二包络跟踪模式ET2操作时将负斜率锯齿波与第二模式ET2反馈信号进行比较，该第二包络跟踪模式与高于预定调制带宽阈值的较高调制带宽相关联。第五阈值比较器170被配置为输出与多电平电压转换器32的升压操作相关联的升压控制信号。仲裁逻辑172被配置为根据多级电压转换器32的特定状态需要降压或升压中的哪一个来使降压和升压控制信号通过第二转换器信号输出端子56。

图5是多电平电压转换器32的简化示意图，其在示例性实施例中是多电平电荷泵类型的。特别地，多级电压转换器32包括多级电荷泵开关矩阵174，其联接在电池电压V_BAT与接地GND之间。其进一步包括联接至多级电荷泵开关矩阵174的第一飞跨电容器C_FLY1和第二飞跨电容器C_FLY2。多级电荷泵开关矩阵174被配置为在电池电压V_BAT和接地GND之间以各种布置选择性地联接第一飞跨电容器C_FLY1和第二飞跨电容器C_FLY2，以根据施加到转换器控制输入端子36的转换器控制信号CSX选择性地对电池电压V_BAT降压或升压。

本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有此类改进和修改都被认为包含在本文公开的概念和所附权利要求的范围内。